وتمثل عجلات التفاعل المغناطيسي قفزة تحولية في مراقبة موقف المركبات الفضائية، تعالج واحدة من أكثر نقاط الفشل المستمرة في البعثات الطويلة الأمد: اللبس الميكانيكي، وتعتمد عجلات التفاعل التقليدية، وإن كانت فعالة للغاية، على عوامل مادية تتدهور بمرور الوقت بسبب الاحتكاك، وانهيار البرمجيات، وازدياد الارتداد المادي في بيئة الفضاء القاسية.

فهم العجلات والآليات الارتطامية

وقبل دراسة الحلول المغناطيسية، من المهم فهم كيفية عمل عجلات التفاعل، والسبب في أن اللبس الميكانيكي هو شاغل بالغ الأهمية، حيث أن عجلة الرد هي أساساً عجلة من الطيار المتحرك تدور بسرعة عالية، وبسرعة أو تباطؤ الدوار، تختبر المركبة الفضائية ضربة متساوية ومعاكسة، مما يسمح لها بالتناوب حول المحور دون أن تنفجر، وتستعمل معظم المركبات الفضائية ثلاث أو أكثر من عجلات التثبيت.

How Traditional Reaction Wheels work

وتستخدم عجلات الرد التقليدية لحملات الكرات أو لبطاقات الدراجات لدعم الرواد، وتُشحّب الأغلفة بقطع أو زيوت متخصصة مصممة للعمل في الفراغ، ويزيد عدد ساعات التشغيل، وتصلب العجلات بسبب التفوق، والإشعاع، والتدوير الحراري، كما أن الحملات تعاني من التخدير الدقيق، والإحباط، والتحولات الفيزيائية، وكلها زيادة في الاحتكاك.

مشكلة البحـر الميكانيكي في الفضاء

وتتسارع بيئة الفضاء في الارتداء بطرق عدة، وتقضي البرمجيات على التبريد المتزامن، مما يتسبب في بؤر ساخنة محلية في حملات تزيل مواد التشحيم، كما أن التقلبات المميتة - 150 درجة مئوية في الكسوف - تزيد عن 120 درجة مئوية في ضوء الشمس، لأن التوسيع المتفاوت بين الأعراق والكرات، ويقضي الجسيمات الدقيقة على تركيب الحطام أو الإشعاعات المشوهة، مما يسمح بأن تظل الجسيمات.

عجلات الرّدّة المغناطيسيّة كحلول

وتحل عجلات التفاعل المغناطيسي محل المصاب الطبيعي بالانحراف المغناطيسي أو الإيقاف الكهرومغناطيسي، وتحتفظ القوات المغنطية التي تنتج عن المغناطيس أو المغناطيس الدائم بعنصر العجلات المتينة، وتزيل فقط من التلامس المتين إلى المركب، وفي بعض التصميمات، يتم دمج المحركات نفسها مع التعليق المغناطيسي باستخدام قوى اللورنتز أو مبادئ الاحترار في كل من الخسائر في السلوك المركب.

التطورات التكنولوجية الأخيرة

وخلال العقد الماضي، حققت البحوث والتطوير عدة إنجازات تُجلب عجلات تفاعل مغناطيسية من الفضول المختبرية إلى معدات قراءتها، وهذه التطورات تُسدِّم المواد الممتدة ونظم المراقبة وتقنيات التصنيع.

الحملات السحرية النشطة

فالأثار المغناطيسية النشطة تستخدم الكهرباء بضبط مقفل لوضع الدوار بدقة قياسات دقيقة، وقد أدت التحسينات الأخيرة في أجهزة تجهيز الإشارات الرقمية والإلكترونيات لتوليد الطاقة إلى جعل نظم العجلات أكثر قوة وكفاءة، كما أن الخوارزميات الجديدة للتحكم، مثل التسلسل المرتجع للتغذية المكيفة والتحكم التنبؤي النموذجي، تتيح للارتقاء بزخم ثابت حتى تحت حمولات دينامية من المركبة الفضائية.

المصابيح المغناطيسية

ولا تزال هناك حاجة إلى استخدام الطاقة الكهربائية في التدفق الجامد، حيث إن الموصلات الخارقة التي تبرد تحت درجة حرارتها الحرجة تُحدث تدفقاً مغناطيسياً، مما يجعلها تُغلق في حقل مغناطيسي دائم، مما يوفر تذبذباً مستقراً دون رقابة نشطة أو مدخلات طاقة للتعليق، وقد أدت التطورات الأخيرة في الموصلات الخارقة ذات الحرارة العالية (مثلاً، سائل التناوب المغناطيسي، ودرجة الحرارة).

تحسين المحركات الكهرومغناطيسية

كما أن المحرك الذي يدفع الرواد آخذ في التطور، إذ أن محركات البلدان النامية التي لا تُستخدم في شكل فروسات، والتي لها نواة الحديد، تعاني من الاضطرابات التي تتراكم من جراء الارتداد والفقدان الحالي للدراج، وتستعمل في تصميمات جديدة مواضع لا تُستخدم في الريح المركزة، وتخفض من إنتاجها من حيث التسارع، وتدمج في عجلات التفاعل المغنطيسي مع نظم متجانسات التي تولدت فيها أيضا.

المنجزات العلمية للمواد

فالالمواد تؤدي دورا مزدوجا: فالدورة نفسها يجب أن تكون قوية وخفيفة الوزن ومستقرة ببعد، بينما يجب أن يتحمل السكن الهيكلي أعباء الإطلاق والتدرجات الحرارية، حيث أن البوليمرات المركبة التي تنتج عن الألياف الكربونية المعززة توفر نسبا عالية من القوة إلى الوزن والحد الأدنى من التوسع الحراري، وبالنسبة للعجلات المغنطية العالية السرعة، كثيرا ما تُجرى الدوارات من الفولاذ المرهون

أجهزة التحكم المتكاملة

ويُعدّ جهاز التحكم في الدماغ الذي يُستخدم في إطاره جهازاً للرد المغناطيسي، ويُسمح الآن لأجهزة التحكم في أجهزة البوابات الحديثة البرمجية الميدانية، وأجهزة التحكم بالجهاز على أجهزة الأشعة، وأجهزة الرصد على أساس النظام، بدمج أجهزة الاستشعار، ومراقبة الحركة، والوصلات المتحركة، والوصلات البينية للاتصالات في وحدة واحدة من وحدات الاتفاق، وهذه الأجهزة الإلكترونية مُحتملة الإشعاع، وقادرة على تجهيز إشارات الاستشعار التي تحمل 20 كيلوهيمنة.

الفوائد الرئيسية للزراعة الميكانيكية المخفضة

التحول إلى عجلات تفاعل مغناطيسية يحقق فوائد تتجاوز بكثير إزالة الاحتكاك الواضح

تمديد فترة البعثة

ومع عدم وجود آليات للتعليق، يمكن لعجلات تفاعل مغناطيسية أن تعمل منذ عقود، وهذا متغير لعب لبروب الفضاء العميق مثل تلك التي تتجه إلى الكواكب الخارجية، حيث يتعذر الصيانة أو الاستبدال، فعلى سبيل المثال، يعتمد تلسكوب جيمس ويب الفضائي على عجلات رد الفعل من أجل توجيه غرامات؛ ويمكن للعجلة المغناطيسية أن تمدد حياتها التشغيلية من هدف السنوات العشر الحالية إلى 20 سنة أو أكثر.

تحسين الموثوقية والتكرار

وكثيرا ما تتحلل عجلات الرد التقليدية بمرور الوقت، مع ارتفاع مستويات الاهتزاز التي يمكن أن تؤثر على توجيه الأجهزة، وتحافظ العجلات المغنطية على تذبذب مستمر منخفض طوال حياتها، وعلاوة على ذلك، ونظرا لعدم وجود اتصال مادي، فإن العجلة أقل عرضة للفشل المفاجئ في عمليات الإطلاق من جراء الضبط، ولذلك يمكن لمصممي البعثات أن يستخدموا عجلات ترجمية أقل، ويوفقون الكتلة والكلفة، ويحققون نفس الشيء أو تحسين الموثوقية.

التكلفة الإجمالية للمالكين

وعلى الرغم من أن عجلات التفاعل المغناطيسي تحمل حاليا تكاليف أعلى من حيث ارتفاعها بسبب الأجهزة الإلكترونية المعقدة وتجمعات الدقة، فإن مدخرات دورة الحياة كبيرة، إذ لم تعد هناك حاجة إلى إطلاق السواتل بمعدات لعجلات الرد السريع، وأن المشغلين الأرضيين يقضون وقتا أقل في إدارة صحة العجلات، وكثيرا ما يؤدي عدم وجود مواد ذات سمة تشحيم ذات سمات حساسة من الزيوت المستخرجة.

الأداء المعزَّز

كما أن التذبذب المغنطيزي يزيل عملياً الانحرافات الدقيقة الناتجة عن قصور في التأثير، وبالنسبة للسواتل التي تقوم بتصوير الأرض عالي الاستبانة أو الرصد الفلكي، فإن هذا يعني صوراً أكثر حدة وأقل حاجة إلى تصحيح ما بعد المعالجة، كما أن الضوضاء العاتية تقل كثيراً، مما يتيح التحكم في المواقف السلسة بالنسبة للصكوك الحساسة، ويمكن لبعض عجلات التفاعل المغناطيسية أن تحقق مستويات أعلى من نصف قطرها البالغ الصغر، وهو سعة عشر أضعاف.

التطبيقات عبر البعثات الفضائية

إن تعارض عجلات التفاعل المغناطيسي يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من البعثات الفضائية.

ساتل الاتصالات Geostationary Communication

وتحتاج هذه السواتل إلى درجة عالية من الموثوقية على مدى 15-20 سنة، وتقضي عجلات التفاعل المغناطيسي على أكثر الأسباب شيوعاً للفشل المبكر، وتقليص الحاجة إلى محركات حفظ المحطة، ويمكن للمشغلين أن يحافظوا على توجيه دقيق إلى الشعاعات البقعية وتجنب انقطاع المناورات، وتقوم شركات مثل شركة إيربوس وشركة تاليس ألينيا بتقييم العجلات المغناطيسية لمنابر الجيل القادم.

رصد الأرض والاستشعار عن بعد

وتطالب سواتل مدار أرضي منخفض تستخدم لرصد الأرض باستقرار المواقف بدقة وبضعة عجلات رد الفعل المغناطيسي بفترات تصوير مستمرة أطول دون حدوث مخالفات، كما أنها تتيح للمناورات السريعة بين الأهداف دون إحداث ارتداء مفرط، ويمكن أن تستفيد سلسلة أجهزة الاستشعار وغيرها من بعثات كوبرنيكوس من هذه التكنولوجيا.

المسبار العلمية والمستكشفون الفضائيون في أعماق البحار

بالنسبة للمهام المشتركة بين الكواكب، الطول هو الأهم، المُشتبه بهم مثل (فويجر) الذين عملوا لأكثر من 40 سنة باستخدام محركات الدافع بدلاً من عجلات الرد بسبب القلق، قد يعتمدون بدلاً من ذلك على عجلات مغناطيسية للسيطرة على المواقف الخالية من الوقود، بعثات (ناسا) الرئيسية القادمة إلى قمر (يوربا) و(أورانوس) يُفكّرون عجلات تفاعل مغناطيسية لقوّتهم.

سواتل تجارية

وتعتمد مجموعات كبيرة (مثلاً، الساتل " الفضاء " ، " ستارلينك " ، الأمازون كويبر " ) على آلاف السواتل القصيرة الأجل التي يتم استبدالها كل 5-7 سنوات، وفي حين أن عمر الساتل أقصر، فإن عدد السواتل التي تُعدّ مصدّقيةً على محرك تكلفة حرج، ويمكن لعجلات الردّة المغناطيسية أن تقلّل من معدل الإخفاقات في المدار، مما يقلّد تواتر في عمليات الإطلاق المصممة.

التوقعات والتحديات المستقبلية

وبينما حققت عجلات التفاعل المغناطيسي تراثاً للطيران في بعض البعثات (مثل بعض السواتل السرية وتجربة البالونات في ناسا)، لا يزال التبني الواسع النطاق يواجه عقبات، ولا تزال البحوث تعالج هذه التحديات.

تصعيد إلى الأسفل لـ (سمول ستات)

وتميل تصميمات عجلات التفاعل المغناطيسي الحالية إلى أن تكون كبيرة وكثيفة الطاقة مقارنة بنظائرها الميكانيكية عندما تكون مقاسها أقل من 10 أمتار من القدرة على السخرة، أما بالنسبة لـ " كوبسات " و " ميكروساتيت " ، فإن ميزانية الحجم والطاقة ضيقة للغاية، كما أن البحث في وسائل مغناطيسية مصغرة تستخدم تكنولوجيا سواتل الرصد أو محركات الدوائرية مطبوعة قد يكون جاريا.

استهلاك الطاقة وتفكك الحرارة

فالأوجه المغناطيسية النشطة تتطلب قدرة مستمرة على الحفاظ على الانحراف والسيطرة، وعلى الرغم من أن التقدم في الأجهزة الإلكترونية المنخفضة الطاقة قد أدى إلى انخفاض هذه العجلات إلى عدد قليل من الخاطفة لكل عجلة، فإن هذا يمكن أن يكون كبيرا بالنسبة للسواتل الصغيرة، فالأثار المؤثرة، وإن كانت سلبية، تتطلب مصممين للبعوض يستهلكون الطاقة ويرفضون الحرارة.

تطوير الموصلات العليا

وسيكون الموصلون الزائدون عن الزواحف مقدسا، ويزيلون النظم المسببة للبرد تماما، وفي حين أن اكتشاف المواد مثل LK-99 (وإن كان مثيرا للجدل) لم يكن متاحا تجاريا بعد، فقد أثار الاهتمام باستكشاف مركبات جديدة، بل إن التحسينات الجزئية في درجات الحرارة العالية (مثل 200 كاف) يمكن أن تبسط متطلبات التبريد بشكل كبير.

الصيانة الذاتية والإعادة الذاتية

يمكن أن تدمج المركبات الفضائية المقبلة تشخيصات على متن السفن يمكن أن تعدل تلقائياً معايير التأثير المغناطيسي للتعويض عن اختلالات طفيفة أو انجرافات في أجهزة الاستشعار، بعض المختبرات تحقق في أجهزة التلقيح الذاتي التي يمكن أن تعيد تشكيلها حول الفحم الفاشل، مع وجود قوة متأصلة في التطهير المغناطيسي، يمكن لهذه النظم أن تحقق معدلات فشل شبه صفرية في التحكم في المواقف.

وفي الختام، فإن التقدم في عجلات التفاعل المغناطيسي يعيد تشكيل تصميم المركبات الفضائية عن طريق توفير طريق لضبط المواقف الخالية من الارتطام، ومع تطور التكنولوجيا، ستصبح هذه النظم معيارا لكل ما يمكن أن تحققه البشرية من مستكشفي الأرض الصغيرة إلى مستكشفي المناطق المشتركة بين الكواكب، وستكون النتيجة أكثر موثوقية وأطول أجلا، وأقوى من البعثات الفضائية، مما يقلل في نهاية المطاف من التكاليف ويدفع حدود ما يمكن أن تحققه البشرية خارج الأرض.

لمزيد من القراءة، انظر NASA'SA's information on magnetic bearings for spacecraft و ]